Exotische Aggregatzustände

2018-09-24 18:08:46

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Die Welt um uns herum ist exotischer, als wir uns das manchmal vorstellen mögen, das betrifft schon so alltägliche Phänomene wie die Aggregatzustände.

In der Schule lernt man, dass es drei davon gibt: fest, flüssig und gasförmig. Passt man etwas auf, dann hat man vielleicht schon mitbekommen, dass es noch so etwas wie Plasma gibt – in diesem Zustand trennen sich bei hohen Temperaturen die Elektronen von den Atomrümpfen. Das ist aber erst der Anfang, es werden ständig neue Zustände entdeckt, welche die Materie einnehmen kann.

Von Helium beispielsweise ist seit 1938 ein zusätzlicher Aggregatzustand bekannt - entdeckt von dem russischen Physiker Pyotr Leonidovich Kapitsaein - ein Bose-Einstein-Kondensat, Helium II genannt. Dabei handelt es sich um eine Supraflüssigkeit, die ganz besondere Eigenschaften aufweist.

Helium 4 (das am häufigsten vorkommende Helium-Isotop mit 4 Neutronen im Kern) existiert zwischen seinem Siedepunkt bei 4,22 Kelvin (0 Kelvin entsprechen -273,15 °C, dem absoluten Temperaturnullpunkt) und dem sog. Lambdapunkt bei 2,1768 Kelvin als gewöhnliche Flüssigkeit. Kühlt man es jedoch noch weiter ab, wird es spannend.

Helium II verliert fast jede Viskosität, d. h. es gibt keine innere Reibung mehr, das führt zum einen dazu, dass man Helium II nicht mehr zum Kochen bringen kann, denn ohne innere Reibung leitet es die Wärme zu schnell wieder ab (mehr als hundertmal schneller wie Kupfer, nämlich mit 20m/s bei 1,8 Kelvin). Gleichzeitig führt dieser Verlust des Zusammenhalts der Heliummoleküle auch dazu, dass die Flüssigkeit durch winzige Poren (bis zu 10-8 m) oder Kapillaren fließen kann. Außerdem kriecht Helium II Gefäßwände hoch, der entstehende Rollin-Film ist nach Bernard V. Rollin benannt, der ihn 1938 erstmals beschrieb.

Womöglich ist es die Van der Waals-Kraft, die für dieses Kriechen gegen die Schwerkraft verantwortlich ist. Die Van der Waals-Kraft ist die einzige Kraft, über die Helium mit sich selbst und anderen Elementen reagieren kann (es ist ja ein Edelgas), dabei reagieren Moleküle, die eigentlich elektrisch neutral sind, weil sie genauso viele Elektronen wie Protonen besitzen, miteinander, weil die Elektronenhüllen nicht immer symmetrisch um den Atomkern verteilt sind und diesen dann nicht vollständig abschirmen. So ergibt sich – oft nur kurzfristig – ein Zustand, in dem das Atom auf der einen Seite mehr positiv und auf der anderen mehr negativ geladen ist, so dass es mit anderen geladenen Molekülen wechselwirken kann.

Im supraflüssigen Zustand ohne Reibung kann das vielleicht dazu führen, dass diese extrem schwache Wechselwirkung ausreicht, damit die Haftung an Oberflächen und die geringe Viskosität ausreicht, um an Wänden hochzufließen.

Das Bose-Einstein-Kondensat wurde inzwischen mit einer ganzen Reihe von Elementen hergestellt. Dabei handelt es sich um einen Zustand, bei dem sich alle Atome im selben quantenmechanischen Zustand befinden und sich deshalb wie ein einziges Teilchen verhalten.

Gelingt es, die Atome in einem Gitter einzufangen, kann man den sog. Mott-Isolator-Zustand erreichen. Bei 10 Nanokelvin fängt man dazu einzelne Atome in einem Gitter aus Licht ein (da Licht eine Welle ist, kann man stehende Wellen erzeugen, bei denen die Atome sich bevorzugt an festen Punkten in diesem Gitter aus drei senkrecht zueinander stehenden Lasern aufhalten). Je nach Stärke des Gitters kann man jetzt einen Phasenübergang zwischen supraflüssig, wenn sich die Atome noch frei bewegen können, und einer Kristallstruktur beobachten, wenn die Atome in dem Lichtgitter quasi eingefroren werden.

Aber es wird noch merkwürdiger. 1969 wurde ein weiterer Aggregatzustand für extrem kaltes Helium vorausgesagt: suprafest.

Erst 2004 wurden an der Penn State University erste Experimente veröffentlicht, die diesen Zustand zu erreichen versuchten. An der Ecole Normale Supérieure in Paris hat man sich schließlich ein Experiment ausgedacht, um diesen seltsamen Zustand zu beobachten, bei dem eine Flüssigkeit durch einen Festkörper fließt.

Man nehme einen Strohhalm, fülle ihn mit Wasser und halte ihn in ein Wasserglas; solange man das eine Ende des Strohhalms mit dem Finger abdichtet, passiert nichts. Nimmt man den Finger weg, so fließt das Wasser aus dem Strohhalm. Ersetzt man das Wasser durch suprafestes Helium und die Luft durch supraflüssiges Helium, hat man das besagte Experiment. Leider schlugen 10 von 13 Experimenten fehl und es passierte gar nichts. Wahrscheinlich, weil es eine durchgehende Grenzschicht zwischen den Kristallen des Suprafestkörpers geben muss, durch die sich das Helium II durchquetschen muss. Das Helium II fließt also an den Grenzschichten der Kristalle entlang, aber nicht durch die Kristalle selbst. Aber es ist schon erstaunlich genug, dass man Helium überhaupt – wenn auch unter extremen Druck – verfestigen kann.

Nicht weniger erstaunlich, ist die Tatsache, dass auch Kernmaterie (Neutronen und Protonen) verschiedene Aggregatzustände einnehmen kann. Die Dichte der Kernmaterie ist fast 1015-mal größer als bei Wasser, abgesehen davon verhalten sich Atomkerne aber wie Flüssigkeitstropfen – kein Wunder, dass sich die Physiker fragen, ob man sie auch zum Kochen bringen kann.

Die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt hat erst vor wenigen Jahren genau dies beobachtet, bei Kollisionen von Atomkernen in einem Teilchenbeschleuniger wurde im Zustandsdiagramm ein Plateau entdeckt, bei dem die Temperatur nicht weiter ansteigt, bevor die Kernmaterie in den gasförmigen Zustand übergeht – das gleiche passiert bei Wasser, wo sich die Temperatur bei 100°C erst einmal nicht weiter erhöht, während der Phasenübergang stattfindet, bis alle Bindungen aufgelöst sind und sich flüssiges Wasser in gasförmiges umgewandelt hat.

Schließlich sollten wir noch einen Blick auf das Wasser werfen, denn auch hier kommen wir schon lange nicht mehr mit nur drei Aggregatzuständen aus. Zunächst einmal ist da der sog. Kritische Punkt bei 374 °C und etwa 100 bar, jenseits dieser Temperatur kann man nicht mehr zwischen Gas und Flüssigkeit unterscheiden. Erhöht man bei dieser (oder höherer) Temperatur den Druck weiter, so erhält man zunächst überkritisches Wasser, ein Gas, das sich wie eine Flüssigkeit verhält, wenn auch mit anderen Eigenschaften, wie das Wasser, das in unserem Wasserglas herumschwappt. Überkritisches Wasser kann wie ein Gas in die feinsten Ritzen eindringen, wirkt dabei aber wie eine Flüssigkeit, was seine Lösungsmitteleigenschaften angeht – in der Industrie wird es deshalb auch eingesetzt um andere organische Lösungsmittel zu ersetzen.

Erhöht man den Druck noch weiter – wie es z. B. in den unteren atmosphärischen Schichten des Jupiter oder Saturn passieren kann – erhält man schließlich wieder einen Festkörper wie Eis VII, X oder XI. Eis VII entsteht unter sehr hohem Druck (3GPa, ein Giga Pascal entspricht 10.000 bar), wenn die Temperatur wieder auf unter etwa 300 °C fällt – Schneeflocken aus Eis VII wären übrigens viereckig und es ist dichter als flüssiges Wasser, geht also darin unter. Eis X oder XI ist dagegen auch bei höheren Temperaturen möglich, wenn der Druck entsprechend steigt (über 62 GPa).

Insgesamt kennt man von Wasser etwa 16 kristalline und bis zu drei amorphe Phasen (wie Glas, also ohne Ausbildung einer Kristallstruktur), und das sind nur die Festkörper-Phasen (Eise). Das Wasser nebenbei auch flüssig oder gasförmig vorliegen kann, fällt daneben kaum ins Gewicht, es wird allerdings spekuliert, dass es noch eine zweite flüssige Form geben könnte, womit wir heute bei bis zu 22 Aggregatzuständen von Wasser wären. Dass wir auf unserem Planeten so viel flüssiges Wasser haben ist also reine Glücksache, weil sich unser Planet gerade in dem kleinen Bereich zwischen Sonne und Unendlichkeit aufhält, wo dieser Zustand bevorzugt auftritt.

Vielleicht muss man sich gar nicht wundern, dass es so viele unterschiedliche Aggregatzustände gibt, denn im Grunde handelt es sich nur um, bei gegebenen Umgebungsbedingungen, energetisch optimale Anordnungen der Atome und Moleküle und bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen sind es die verschiedenen Kräfte zwischen den Teilchen und ihre relative Stärke, welche die jeweils günstigste Anordnung bestimmen – und dann gibt es weit mehr als nur drei Möglichkeiten, Teilchen zusammen zu packen.


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